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l , 1 RÉPUBLIQUE DU SÉNÉGAL UNIVERSITÉ CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR ÉCOLE POLYTECH

l , 1 RÉPUBLIQUE DU SÉNÉGAL UNIVERSITÉ CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE THIES G'l,0133 PROJET DE FIN D'ÉTUDES EN VUE DE L'OBTENTION DU DIPLÔME D'INGtNIEUR DE CONCEPTION Titre : MODEUSATION D'UN SYSTEMESOlAIRE AVEC . A TUBES Auteur : Demba NDIAYE Directeur : Banda NDOYE Codirecteur: Mamadou SARR Date: Juillet 1996 Dédicace spéciale à ..• ma mère, mon défunt père, ma famille. " ... à travers une distance de 148 millions de kilomètres, et seulement par une quantité de chaleur deux milliards de fois moins intense que celle qu'il rayonne, (il) est encore capable d'échauffer notre planète au point de la faire vivre dans la fécondité de ce rayonnement... La force silencieusement dépensée pour élever les réservoirs de la pluie... pour fixer le carbone dans les plantes, pour donner à la nature terrestre sa vigueur et sa beauté, a pu être évaluée au travail de 217 millions 3 J6 milliards de chevaux-vapeur! Voilà le travail permanent du SOLEIL sur la Terre. " Camille FLAMMARION, l'Astronomie Populaire (1881) Il REMERCIEMENTS Il nous est particulièrement agréable, à travers cette page, d'adresser nos plus sincères remerciements à loutes ces personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réussite de ce projet de fin d'études, particulièrement: - Mr Banda NDOYE, Professeur de Thermique à l' EPT - Mr Mamadou SARR, Professeur de Physique à l' EPT. III SOMMAIRE Le but de cette étude est de réaliser un programme de simulation d'un système solaire destiné à la production de vapeur d'eau (chaleur industrielle - électricité) ou de froid (machine à absorption). Le capteur solaire est constitué de tubes sous vide à surface sélective et le réservoir de stockage est stratifié. La combinaison des différents modèles définis pour les données météorologiques et pour chacun des composants du système solaire permet d'arriver à un système d'équations différentielles résoluble par la méthode d'Euler modifiée, avec comme conséquence la possibilité du suivi au fil du temps des différents niveaux de température présents dans le système. Le principal résultat attendu de ce programme relativement fiable est le taux de couverture assuré par l'énergie solaire pour une charge donnée et suivant différentes valeurs des variables de conception. Ceci, afin d'aider à la recherche de systèmes les plus économiques possibles. IV TABLE DES MATIERES Remerciements Sommaire Table des matières . Liste des annexes . Liste des figures . Liste des tableaux , . Liste des symboles . Notes , . III IV V IX X XII XIII XIV INTRODUCTION 1 CHAPITRE 1: LE SYSTEME EN ETUDE 4 1.1. Le système à un fluide, Stockage sans échangeur.......... 6 1.2. Le système à deux fluides, Stockage à échangeur.... 6 1.3. Le système à deux stockages, chaud et froid 7 1.4. Fonctionnement 7 1.5. Régulation 10 1.5.1. Schéma de régulation du débit-capteur 10 1.5.2. Schéma de régulation de la vanne de BY-PASS.. II v CHAPITRE 2: LES DONNEES METEOROLOGIQUES . 2.1. Le rayonnement solaire global . 2.1.1. Le modèle . 2.1.2. Un exemple . 2.2. La température ambiante . 2.2.1. Le modèle . 2.2.2. Un exemple . 2.3. La vitesse moyenne du vent . CHAPITRE 3: LE CAPTEUR SOLAIRE . 3.1. Généralités 3.1.1. Orientation et inclinaison d'un capteur . 3.1.2. Paramètres de fonctionnement .. 3.1.3. Inertie thermique . 3.1.4. Pertes de charge .. 3.2. Les capteurs à tube sous vide .. 32 1. Schéma de montage .. 3.2.2. Fluide caloporteur .. 3.3. Modèle du capteur . 3.3. 1. Principe . 3.3.2. Bilan thermique de la vitre .. 3.3.3. Bilan thermique de l'absorbeur . 3.3.4. Bilan thermique du fluide caloporteur . 3.3.5. Bilan global .. 3.3.6. Evaluation des constantes .. VI 12 12 12 15 17 17 18 18 19 19 19 19 20 21 21 24 27 29 30 30 32 33 33 35 CHAPITRE 4: LE RESERVOIR DE STOCKAGE . 41 C . .. d' . .. aractensnques u reservOlr . 4.1.1 . Dimensions . 4.1.2. Matériau constitutif . 4.1.3. Calorifugeage . 4.2. Analyse du réservoir . 4.3. Le modèle du réservoir . 4.3.1. Quelques hypothèses . 4.3.2. Les équations . 4.3.3. Evaluation des constantes . CHAPITRE 5: L'EVAPORATEUR 5.1. Diverses considérations sur les évaporateurs . 5.2. Le modèle 5.2. 1. L'échangeur - Chaleur sensible . 5.2.1. L'échangeur - Vaporisateur .. 5.3. Utilisation pratique du modèle . CHAPITRE 6: RESOLUTION INFORMATIQUE 6.1. Initialisation . 6.1.1. Période initiale . 6.1.2. Conditions initiales au capteur . 6.1 .3. Conditions initiales au réservoir de stockage . 6.2. Lecture des données . 6.2.1. Conditions météorologiques . 6.2.2. Aire de capteur . 6.2.3. Réservoir de stockage . VII 38 38 41 41 42 43 45 45 47 50 54 54 55 57 58 59 60 60 64 64 64 65 65 66 66 6.2.4. Charge à alimenter .. 66 6.3. Résolution des équations différentielles 67 6.4. Résultats 69 CONCLUSION '" 71 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 73 Annexes VIII 74 Appendice A: Appendice B" LISTE DES ANNEXES Fichiers météorologiques - Moyennes mensuelles des valeurs moyennesdes années 1981 à 1990 Listing du programme principal IX 75 81 LISTE DES FIGURES 1.1 Système à un fluide, Stockage sans échangeur 5 1.2 Système à deux fluides, Stockage à échangeur 5 1.3 Système à deux stockages, chaud et froid 5 1.4 Schéma du système - Production de vapeur d'eau 8 1.5 Schéma du système - Machine à absorption 9 3.1 Module solaire à six absorbeurs 25 3.2 Schéma de montage habituel 26 3.3 Modélisation des échanges énergétiques au capteur 31 3.4 Evolution de la température du fluide caloporteur dans le capteur 33 4.1 4.2 Le sous-système de stockage Coordonnées du réservoir x 40 44 4.3 4.4 4.5 4.6 5.1 Division du réservoir en noeuds Modélisation des échanges énergétiques au réservoir Evaluation de l'aire intérieure d'un noeud Analogie électrique relative au coefficient hpi Evolution de la température du fluide à vaporiser 44 46 51 51 56 6.1 Algorithme général [sur 24 heures] 61 6.2 Algorithme de la procédure ECHANGEUR 62 6.3 Algorithme de la procédure GENERATEUR 63 6.4 Algorithme de la méthode d'EULER modifiée-Modifiée 68 XI 2.1 3.1 3.2 5.1 LISTE DES TABLEAUX Durée moyenne du jour au Sénégal pour chaque mois de l'année Propriétés de différentes surfaces utilisées dans les capteurs Evaluation du coetlicient d'échange convectif vitre - air ambiant Efficacité d'un échangeur suivant le type de circulation XII 16 23 38 56 LISTE DES SYMBOLES [ A]: référence bibliographique Lorsque la question est traitée de façon spécifique dans les pages XI à X2, nous \' indiquons comme suit [A.ppXI-X2] [ l ]: fait référence à une note XIII NOTES [ 11: "MEC 5.12: Air climatisé et Réfrigération" Cours de Massamba THlüYE, EPT 1995 [ 2 1: "CHAL 3.11: Transmission de chaleur" Cours de Dorothé AZILlNüN, EPT 1993 XIV INTRODlJCTION La plupart des systèmes conçus pour des applications par voie thermodynamique de l'énergie solaire échouent (sous-dimensionnement) ou s'avèrent non-rentables (sur-dimensionnement) surtout sous nos latitudes. Ces échecs contribuent d'une certaine manière à la défiance des Décideurs vis à vis de la Thermique solaire. Le Sénégal jouit d'un gisement solaire important, avec une moyenne journalière d'insolation de 6000 Wh / rn", sur une durée moyenne de 12 heures. C'est un potentiel encore très mal exploité (électrification et conservation des aliments en milieu rural, par exemple), et les échecs enregistrés dans ce domaine [G] ne sont pas pour inverser la tendance actuelle. La variation du rayonnement solaire avec le temps rend nécessaire une étude dynamique, et non en régime permanent comme cela se fait le plus souvent (et c'est l' une des principales causes des échecs), des systèmes qui l'exploitent. Ainsi, s' avère-t-il indispensable de créer des programmes de simulation de ces systèmes afin de savoir, par exemple, si une installation donnée répondra aux performances attendues d'elle lors de son dimensionnement. Un tel type de programme facilite en outre la recherche de systèmes optimisés. Avec le Solaire en effet, l'expérience a montré qu'il n'est pas avantageux de chercher à tout prix un système qui couvre entièrement la charge qu'il doit alimenter. On doit plutôt chercher à utiliser cette énergie concomitamment avec les autres formes d'énergie disponibles. C'est de cette manière en effet qu'on réalise l'exploitation optimale de l'énergie solaire, car ainsi que l'écrivent Beckman 1Duffie [C - page 350]: " L'approche de simulation peut être utilisée pour estimer, pour n'importe quelle application, la quantité totale d'énergie délivrée par le capteur solaire pour faire face à la charge [taux de couverture solaire] et la quantité totale d'énergie d'appoint requise. La simulation peut aussi indiquer si les variations de température attendues d'un système donné sont raisonnables, par exemple, si une température de capteur s'élèvera au dessus du point d'ébullition du liquide à chauffer. " Les simulations sont des expérimentations numériques et peuvent donner les mêmes types d'informations sur les performances thermiques que les expérimentations physiques. Elles sont, cependant, relativement rapides et peu coûteuses, et peuvent fournir des informations sur les effets des changements de variables de conception sur les performances, au moyen d'une série d'expérimentations utilisant toutes exactement les mêmes charges et temps. Ces variables de conception pourraient inclure la sélectivité des surfaces absorbantes, le nombre uploads/Ingenierie_Lourd/ collectthiesindexassochash018381f5303e-dirpfe-gm-0139-pdf.pdf